一、研究背景

2017年3月，《2017新媒體聯(lián)盟中國高等教育技術(shù)展望：地平線項(xiàng)目區(qū)域報告》明確指出：STEAM學(xué)習(xí)的興起將是短期內(nèi)我國教育技術(shù)的重要發(fā)展趨勢之一。這說明研究STEAM教育是很有必要的。STEAM教育中包括科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineering)、藝術(shù)(Arts)和數(shù)學(xué)(Mathematics)幾大學(xué)科的綜合知識。學(xué)生在STEAM教育中收獲跨學(xué)科知識，培養(yǎng)綜合能力，發(fā)展核心素養(yǎng)[1]。化學(xué)教學(xué)注重的是培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。完成化學(xué)實(shí)驗(yàn)的過程中離不開數(shù)學(xué)運(yùn)算和實(shí)驗(yàn)室技術(shù)。而STEAM教育與化學(xué)課程相比，更加重視工程和藝術(shù)設(shè)計。以STEAM視角設(shè)計化學(xué)課程，變科學(xué)探究為制作精美的學(xué)科作品。作品的設(shè)計與制作有利于培養(yǎng)科學(xué)探究能力。此外，制作過程需要計算反應(yīng)物配比，體現(xiàn)數(shù)學(xué)思想。也需要運(yùn)用實(shí)驗(yàn)室技術(shù)體現(xiàn)工程思想。作品外觀則離不開藝術(shù)設(shè)計。融合STEAM思想的化學(xué)教學(xué)需要學(xué)生在一段時間里在小組合作模式下設(shè)計、制作、調(diào)試并發(fā)布產(chǎn)品。在提高學(xué)生科學(xué)探究能力的基礎(chǔ)上，將學(xué)科知識以產(chǎn)品的形式外顯，突出了學(xué)科核心知識對人類生活的指導(dǎo)性意義，發(fā)展核心素養(yǎng)。

二、案例設(shè)計流程

STEAM教育改變了學(xué)生傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方式，重視學(xué)生在課堂上學(xué)習(xí)的過程，促進(jìn)對核心知識的理解。圖1是融合STEAM思想的化學(xué)教學(xué)案例設(shè)計的基本流程。教師在設(shè)計STEAM教學(xué)案例時，首先要研讀課程標(biāo)準(zhǔn)，梳理學(xué)科核心知識。學(xué)生通過科學(xué)探究的途徑獲得核心知識。設(shè)計STEAM教學(xué)案例時，如何將化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究成功地轉(zhuǎn)化為制作產(chǎn)品是核心問題。此時，如果課程標(biāo)準(zhǔn)中建議的實(shí)驗(yàn)可以結(jié)合技術(shù)、工程、藝術(shù)相關(guān)知識設(shè)計轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品，則選擇該實(shí)驗(yàn)為載體，開發(fā)STEAM案例。如果課程標(biāo)準(zhǔn)中建議的實(shí)驗(yàn)不能轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，則可以查閱科研文獻(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)資料，設(shè)計創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，并以此為載體，設(shè)計STEAM案例。當(dāng)STEAM案例設(shè)計思路相對成熟時，再次查閱課程標(biāo)準(zhǔn)、人教版教材和教學(xué)參考用書，反思該STEAM案例是否能承載學(xué)科核心知識，是否能培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計時，運(yùn)用UbD課程設(shè)計理論(Understanding by Design，譯為追求理解的教學(xué)設(shè)計)，采用“逆向設(shè)計”模式[2]。該設(shè)計模式要求課程設(shè)計者以終為始，依次設(shè)計學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)評價和學(xué)習(xí)活動。STEAM案例的特點(diǎn)是學(xué)生學(xué)習(xí)后能夠制作產(chǎn)品，制作產(chǎn)品是學(xué)習(xí)目標(biāo)。圍繞產(chǎn)品制作，設(shè)計相應(yīng)的評價方式和工具，最后設(shè)計合理的學(xué)習(xí)活動。這樣的教學(xué)過程重視學(xué)習(xí)評價對學(xué)習(xí)過程的指導(dǎo)作用。

圖1 融合STEAM思想的化學(xué)教學(xué)案例設(shè)計流程

三、案例實(shí)施效果

1.案例1—小而生動的分子

《分子和原子》的教學(xué)位于人教版第3單元第1節(jié)，承載著幫助學(xué)生建立微粒觀、滲透“宏觀辨識與微觀探析”核心素養(yǎng)的重要功能。課程標(biāo)準(zhǔn)中建議的相關(guān)實(shí)驗(yàn)是探討分子這一類微觀粒子的性質(zhì)。理解分子和原子之間的關(guān)系則建議使用球棍模型。球棍模型已經(jīng)指明了原子的大小，不利于學(xué)生主動生成原子大小的相關(guān)知識。在傳統(tǒng)教學(xué)中，有教師提出通過捏橡皮泥的活動理解分子和原子的關(guān)系。但橡皮泥的拼接不夠規(guī)范，很難產(chǎn)生美的感受。通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)研，認(rèn)識了3D打印技術(shù)，設(shè)計了“小而生動的分子”案例。案例引用3D打印技術(shù)，重視學(xué)生主動生成知識的過程，增加了美育的內(nèi)涵。案例學(xué)習(xí)目標(biāo)為：通過3D打印多種分子，理解分子、原子、物質(zhì)之間的關(guān)系。在制作過程中，學(xué)生理解了分子和原子之間的關(guān)系、微觀粒子與宏觀物質(zhì)的關(guān)系，這是化學(xué)學(xué)科核心知識。在計算機(jī)端設(shè)計分子的空間結(jié)構(gòu)時，學(xué)生需要學(xué)習(xí)立體幾何的數(shù)學(xué)知識。計算機(jī)端的設(shè)計過程、運(yùn)用設(shè)備打印3D分子的過程需要學(xué)生具備技術(shù)素養(yǎng)，分子的美觀設(shè)計屬于藝術(shù)范疇，而課程結(jié)束后產(chǎn)生的3D分子則體現(xiàn)出學(xué)生的工程意識。案例為2課時。

第1課時，提供各種宏觀物質(zhì)的模型圖，幫助學(xué)生理解微粒的存在。初步理解分子、原子、物質(zhì)之間的關(guān)系。完成實(shí)驗(yàn)探究，理解分子的幾個性質(zhì)。在計算機(jī)端完成分子的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并設(shè)置好打印程序，保證其美觀。因打印時間較長，課后進(jìn)行3D打印。打印的分子有教師規(guī)定的分子，也有學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)查閱資料了解的分子。

第2課時，學(xué)生對分子模型做產(chǎn)品說明，說明內(nèi)容如下。

(1)說明氧氣、臭氧、氫氣分子分別是由什么微粒構(gòu)成的？

(2)說明二氧化碳分子中是否含有氧分子，水分子中是否含有氫分子。

(3)從分子視角理解水和空氣的區(qū)別。

(4)從分子視角理解物理變化與化學(xué)變化的區(qū)別。

第2課時的交流辨析，幫助學(xué)生建立微粒觀，教會學(xué)生用微觀粒子的行為解釋宏觀物質(zhì)和變化，學(xué)習(xí)過程落實(shí)學(xué)習(xí)目標(biāo)的要求。為幫助學(xué)生理解學(xué)習(xí)過程，運(yùn)用UbD課程設(shè)計理論設(shè)計了針對目標(biāo)的評價量規(guī)(見表1)。量規(guī)在課前發(fā)給學(xué)生，學(xué)生依據(jù)量規(guī)自我評估學(xué)習(xí)目標(biāo)是否達(dá)成，能夠有效指導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)過程。學(xué)習(xí)后，教師依據(jù)評價量規(guī)對學(xué)生學(xué)習(xí)效果展開評價。

在理解微粒的性質(zhì)維度上，33.3%的學(xué)生主動設(shè)計合理方案并完成實(shí)驗(yàn)操作，屬于學(xué)霸級，66.7%的學(xué)生能夠達(dá)到合格級，100%學(xué)生達(dá)成目標(biāo)。在理解分子和原子的關(guān)系維度上，33.3%的學(xué)生不僅打印出規(guī)定分子，還打印出硫酸、苯分子，屬于學(xué)霸級。66.7%的學(xué)生屬于合格級，100%的學(xué)生達(dá)成目標(biāo)。在分子視角區(qū)分純凈物和混合物維度上，有66.7%屬于學(xué)霸級，16.7%屬于合格級，16.7%的屬于菜鳥級?？傮w來看，有83.3%學(xué)生達(dá)成目標(biāo)。在分子視角區(qū)分物理變化和化學(xué)變化維度上，僅16.7%的學(xué)生屬于學(xué)霸級，60%屬于合格級，33.3%屬于菜鳥級，總體而言，66.7%學(xué)生達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)。在4個測查維度上，平均而言，有87.5%的學(xué)生達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)。高比例數(shù)據(jù)說明引入STEAM思想的案例教學(xué)效果優(yōu)秀。此外，對于在某個測查維度上仍處于菜鳥級的學(xué)生，教師在課后應(yīng)對其進(jìn)行深度訪談，明確學(xué)習(xí)障礙點(diǎn)，開展有針對性的個別化輔導(dǎo)。

表1 打印3D分子的評價量規(guī)

2.案例2—制作多彩圣誕樹

以制作多彩圣誕樹為目的，開展單元教學(xué)，整合人教版化學(xué)教材第九單元溶液的核心知識。案例所涉及的實(shí)驗(yàn)不在課程標(biāo)準(zhǔn)的建議中。教師查閱網(wǎng)絡(luò)資料，了解到“化學(xué)圣誕樹”的趣味實(shí)驗(yàn)，其具體制作方法為在鐵架臺上搭配盛有不同顏色溶液的圓底燒瓶、錐形瓶等儀器形成化學(xué)圣誕樹。

制作過程中如何整合核心知識呢？多彩溶液是關(guān)鍵。首先，學(xué)生需要識別溶液，掌握溶液、溶質(zhì)、溶劑的核心知識，理解溶液和非溶液之間的區(qū)別。制作“圣誕樹”所需的溶液中溶質(zhì)一般為固體，溶劑一般為水。學(xué)生在制作過程中產(chǎn)生疑問：固體與水的量為多少？兩者的比例是任意嗎？自然引出了溶解度、溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的核心知識。通過師生討論、實(shí)驗(yàn)探究等學(xué)習(xí)方式，學(xué)生理解了溶質(zhì)溶解在溶劑中有溶解限度，用溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示濃度核心知識。至此，人教版教材《溶液》單元的核心知識全部整合在項(xiàng)目中。那么，該項(xiàng)目如何體現(xiàn)STEAM特點(diǎn)呢？如圖2所示，核心知識屬于科學(xué)(S)的范疇，學(xué)生需要通過數(shù)學(xué)(M)運(yùn)算正確表示溶液的濃度。搭建“圣誕樹”的過程中需要使用錐形瓶、圓底燒瓶、鐵架臺、鐵夾等儀器，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)室技術(shù)(T)。最終形成的“圣誕樹”是否美觀，屬于藝術(shù)(A)享受，設(shè)計“圣誕樹”的過程需考慮其是否穩(wěn)固、是否保持受力平衡，這些因素屬于工程(E)設(shè)計。

圖2 “制作多彩圣誕樹”案例的實(shí)施步驟與STEAM要素分析

案例實(shí)施過程分為5個步驟。按實(shí)施順序依次為：分析與拆解項(xiàng)目、配制溶液、學(xué)習(xí)儀器使用、制作圣誕樹和產(chǎn)品解讀。其中第2個步驟和第3個步驟可以對調(diào)。教學(xué)實(shí)施分為5個課時。每個課時的教學(xué)過程如表2所示。以UbD理論指導(dǎo)教學(xué)過程設(shè)計—設(shè)計順序?yàn)槟繕?biāo)、評價、任務(wù)。與傳統(tǒng)教學(xué)設(shè)計相比，將評價前置，重視評價的指導(dǎo)作用。評價緊扣目標(biāo)，學(xué)習(xí)任務(wù)體現(xiàn)了以學(xué)生為主體的特點(diǎn)。與傳統(tǒng)教學(xué)相比，引入STEAM案例，落實(shí)了課程標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，提高了學(xué)生的課堂參與度、科學(xué)探究能力，培養(yǎng)了工程設(shè)計意識和藝術(shù)素養(yǎng)。具體表現(xiàn)為：在經(jīng)歷案例學(xué)習(xí)后，有95%的學(xué)生表示喜歡STEAM教學(xué)課堂，并期待下一次的STEAM案例教學(xué)；課堂教學(xué)中學(xué)生設(shè)計實(shí)驗(yàn)、實(shí)施實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行表達(dá)與交流的時間比傳統(tǒng)教學(xué)長，使學(xué)生主動生成實(shí)驗(yàn)方案、小組合作完成實(shí)驗(yàn)過程，并充分表達(dá)思想，提高了科學(xué)探究能力。學(xué)生在“圣誕樹”的設(shè)計過程中考慮平衡、穩(wěn)定、美觀等因素，培養(yǎng)了工程意識與藝術(shù)素養(yǎng)，這是傳統(tǒng)教學(xué)中不曾涉及的內(nèi)容。

表2 “制作圣誕樹”教學(xué)過程

四、教師授課反思

1.實(shí)施STEAM案例 發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)

有學(xué)者指出，如果學(xué)生有了素養(yǎng)發(fā)展的需求，會更迫切地尋求核心知識、形成關(guān)鍵能力[3]。“小而生動的分子”和“制作多彩圣誕樹”的案例以發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)為目標(biāo)而設(shè)計素養(yǎng)外顯的方式是制作產(chǎn)品。教學(xué)中不僅關(guān)注知識本身，更加關(guān)注的知識如何被使用，學(xué)生應(yīng)用知識產(chǎn)生產(chǎn)品，使知識更有生命力。與傳統(tǒng)教學(xué)相比，在制作過程中，不僅落實(shí)本學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，也收獲了跨學(xué)科知識，運(yùn)用了現(xiàn)代技術(shù)，培養(yǎng)了藝術(shù)情操和工程意識。“小而生動的分子”案例通過運(yùn)用3D打印技術(shù)制作了看不見的微觀分子的模型，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中不斷將微觀粒子和宏觀物質(zhì)之間的性質(zhì)、變化做關(guān)聯(lián)，培養(yǎng)“宏觀辨識與微觀探析”的學(xué)科核心素養(yǎng)。“制作多彩圣誕樹”案例將人教版教材中多個小而獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)整合成一個大型的探究任務(wù)，使科學(xué)探究圍繞產(chǎn)品制作而設(shè)計，著重培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計實(shí)驗(yàn)、獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)論及表達(dá)交流能力。實(shí)驗(yàn)任務(wù)由教材中的驗(yàn)證性變?yōu)樘骄啃裕黾恿私Y(jié)果的未知性，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，落實(shí)“實(shí)驗(yàn)探究與創(chuàng)新意識”的學(xué)科核心素養(yǎng)。

2.設(shè)計STEAM案例 提高教師專業(yè)發(fā)展

教師專業(yè)發(fā)展是指教師專業(yè)知識、專業(yè)能力和專業(yè)精神的發(fā)展[4]。STEAM案例的設(shè)計要求教師具有跨學(xué)科的專業(yè)知識。設(shè)計這類教學(xué)過程能促進(jìn)教師在工作崗位上不斷學(xué)習(xí)、提升自我。如何把生活中的產(chǎn)品制作問題轉(zhuǎn)化為化學(xué)教學(xué)問題？如何基于學(xué)生的認(rèn)知水平將化學(xué)核心知識與數(shù)學(xué)、技術(shù)、藝術(shù)、工程知識相融合而開展教學(xué)設(shè)計？這些均體現(xiàn)出教師的專業(yè)能力。教師基于學(xué)生的需要而不斷研究STEAM課程的過程體現(xiàn)了教師的專業(yè)精神。每一次的STEAM案例設(shè)計過程也是促進(jìn)教師的專業(yè)發(fā)展的過程。